1. introduÇÃo -...

13

1. INTRODUÇÃO

A busca por qualidade é hoje

uma das maiores preocupações nos

diversos segmentos produtivos. O café

é um dos poucos produtos cujo valor

cresce muito com a melhoria da

qualidade. Um produto de qualidade

inferior pode sofrer redução significativa

no seu valor de comercialização. Os

processos de preparo, secagem e

armazenagem apresentam contribuições expressivas sobre a qualidade final do

produto, sendo, portanto, muito importantes na escolha correta da infra-estrutura

para atender à fase final da produção do café. A qualidade final do produto, bem

como a viabilidade econômica da cafeicultura, estão fortemente relacionadas com

técnicas corretas e manejo racional do sistema de processamento.

Devido a tal importância, o

Consórcio Brasileiro de Pesquisa e

Desenvolvimento do Café, CBP&D-

Café, vem trabalhando na busca de

alternativas tecnológicas, viáveis em

diversas escalas de produção, que

contribuam para o incremento qualitativo

do café brasileiro.

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2. OBJETIVO

No mercado extremamente competitivo do café, a viabilidade econômica

da cafeicultura está diretamente relacionada com técnicas cada vez mais

eficientes e econômicas de beneficiamento do produto.

Com esta visão atual de que é necessário a utilização racional dos

recursos, para que se possa tornar o processo de secagem do café mais eficiente

e econômico para o pequeno e médio produtor, o presente trabalho objetiva o

aumento da eficiência térmica e consequentemente a redução do consumo de

lenha nos processos de troca de calor, envolvidos num processo conhecido como

secagem de queima indireta. Utilizando para tanto, uma técnica que requer

pequeno investimento inicial e pode proporcionar grandes resultados; a

combustão pulsante.

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3. PROCESSO DE SECAGEM DO CAFÉ

A secagem do café é comparativamente mais difícil de ser executada do

que a de outros produtos, em virtude de o teor de umidade inicial ser bastante

elevado, geralmente ao redor de 60%. Com isso, a velocidade de deterioração em

sua primeira fase de secagem é maior, causando redução na qualidade do

produto. Deve-se, portanto, promover a sua secagem imediata logo após a

colheita e promover o armazenamento em condições que permita manter a

qualidade do produto após a secagem. Independentemente do método de

secagem utilizado, devem ser ressaltados os seguintes aspectos para se obter

êxito no processo pós-colheita do café: evitar fermentação indesejável durante o

processo e temperaturas excessivamente elevadas (o café tolera a temperatura do

ar de secagem próximo a 40 °C por um ou dois dias, 50 °C por poucas horas e 60

°C por menos de uma hora sem se danificar); secar os grãos no menor tempo

possível até 18% b.u. de umidade e procurar obter um produto que apresente

uniformidade em coloração, tamanho e densidade.

No Brasil, conforme os aspectos tecnológicos envolvidos, utilizam-se

basicamente dois métodos para secagem de café: secagem natural em terreiro ou

secagem artificial utilizando secadores mecânicos.

Na secagem em terreiros, esparrama-se o produto em pisos, que podem

ser de cimento, tijolo, chão batido ou asfalto. Esse método é o mais utilizado pelos

produtores em pelo menos uma fase do processo de secagem. Entretanto, a baixa

taxa de secagem e a exposição do produto a agentes biológicos, juntamente com

a possibilidade de ocorrência de condições climáticas desfavoráveis, como

acontece no sul da Bahia e norte do Espírito Santo e parte da Zona da Mata

mineira, por ocasião da colheita, ocasiona perda de qualidade do café.

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Figura 3.01 – Secagem natural em terreiro

A outra alternativa para a secagem de café é a secagem artificial

utilizando secadores mecânicos, que consiste basicamente na secagem dos grãos

de café com ar aquecido até um limite seguro de temperatura e umidade.

Figura 3.02 – Secagem artificial através de secadores mecânicos

17

3.1. IMPORTÂNCIA DO PROCESSO DE SECAGEM DO CAFÉ

A secagem é um fator crítico do processo, pois influi diretamente no

aspecto e no resultado da torração do café. Uma seca perfeita, que deve ser lenta

e uniforme para não quebrar a estrutura celular do grão, confere ao café

uniformidade de cor e consistência dos grãos, mantendo as características de

sabor do produto.

O mau uso de secadores deprecia o aspecto e o tipo do café,

acarretando uma redução de aproximadamente 15% do valor do produto. Secador

é uma máquina importante, entretanto, deve ser utilizado com cuidado. Os

secadores mecânicos devem ter 2 termômetros, um na saída da fornalha e outro

no interior da massa do café. Nesse, em qualquer condição a temperatura não

pode passar de 45ºC.

3.2. COMBUSTÍVEIS UTILIZADOS NO PROCESSO DE SECAGEM DO CAFÉ

A secagem artificial teve maior impulso somente a partir da década de

60, com o aparecimento de secadores de grande porte. Anteriormente, quase

todos os produtos agrícolas eram secados no próprio campo ou terreiro onde eram

expostos diretamente á radiação solar e revolvidos periodicamente a fim de

acelerar o processo.

Entre os combustíveis utilizados na secagem tem-se feito uso da lenha,

do GLP (gás liquefeito de petróleo) e resíduos agrícolas. O GLP é um combustível

de uso recente na secagem do café. Sua principal vantagem é a praticidade no

manuseio e a constância no fornecimento de calor, além de possuir boa eficiência

térmica (60%) e um poder calorífico alto (47440 kJ.Kg-1 ) em relação à lenha.

Como desvantagem o GLP possui a instabilidade do seu preço por estar vinculado

ao preço do petróleo.

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4. SECADORES EXISTENTES NO MERCADO

Existem, basicamente, três tipos de secadores com sistemas distintos

de operação, com os quais se obtêm produtos finais com qualidades semelhantes.

São eles:

▪ Secadores horizontais rotativos intermitentes;

▪ Secadores do tipo barcaça ou de leito fixo;

▪ Secadores verticais com câmara de repouso.

4.1. SECADORES HORIZONTAIS ROTATIVOS INTERMITENTES

Figura 4.01 – secador horizontal rotativo da marca Pinhalense

Os secadores horizontais rotativos intermitentes, também conhecidos

como pré-secadores, podem receber café com qualquer grau de umidade, mas

nunca, trabalhar totalmente cheios. Deve-se sempre deixar um vão livre de 20 a

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30 cm para que o produto se movimente. Algumas observações devem ser

consideradas:

▪ Caso o café venha direto da lavoura ou do lavador para o secador, deve-se

carrega-lo e coloca-lo em movimento por cerca de duas horas antes de

acender a fornalha;

▪ A temperatura do termômetro de ar quente não deverá ultrapassar 60ºC até

a condição de meia seca, ou seja, a massa de café com aproximadamente

30% de umidade e o café não colando na mão quando apertado;

▪ Após atingir a meia seca, o café pode ser passado para secadores verticais

ou continuar secando no secador horizontal. Neste caso, deve-se elevar a

temperatura, do ar para 90ºC ou controlar a da massa em 45ºC,

temperatura que não deve ser ultrapassada;

▪ Quando a massa do café estiver com 17% de umidade (os grãos começam

a chocalhar dentro de casa), deve-se baixar a temperatura do ar para 60ºC

e prosseguir assim até o final da seca;

▪ Se o café sofre a meia seca no terreiro, carregar o secador e proceder

como se o produto já tivesse sido pré-secado no secador .

4.2. SECADORES DO TIPO BARCAÇA OU DE LEITO FIXO

Figura 4.02 – secador tipo barcaça ou de leito fixo

20

Os secadores tipo barcaça ou de leito fixo podem receber café com

qualquer grau de umidade. As observações relativas a este tipo de secador são:

▪ A camada de café não deverá ter uma altura superior 50 cm;

▪ Após carregar a barcaça, colocar fogo na fornalha, não deixando a

temperatura do ar ultrapassar os 50ºC;

▪ Revolver a massa de café no máximo a cada duas horas. Este intervalo

deve ser tanto menor quanto maior for a umidade dos frutos.

4.3. SECADORES VERTICAIS COM CÂMARA DE REPOUSO

Figura 4.03 – secador vertical com câmara de repouso ou tipo baú

Os secadores verticais com câmara de repouso ou tipo baú exigem que

o café receba uma pré-secagem, seja ele em terreiro, em secadores horizontais

ou em barcaça. Para a utilização destes secadores, algumas considerações

devem ser observadas:

21

▪ Fazer primeiramente a pré-secagem ou meia-secagem, que ocorre quando

o café perde a umidade externa e já não cola mais se apertado com a mão,

o que corresponde a uma umidade de aproximadamente 30%;

▪ Carregar o secador ao máximo, para que não haja perda de calor,

aumentando o tempo de secagem ou prejuízos, tais como maior consumo

de energia e mão–de-obra;

▪ Acender a fornalha e trabalhar as primeiras cinco horas com a temperatura

do ar máxima a 60º;

▪ Passar a seguir a temperatura do ar para 70 ºC;

▪ Baixar a temperatura para 50ºC e prosseguir assim até o final da seca,

quando a massa de café atingir cerca de 17% de umidade.

5. PROBLEMAS EXISTENTES COM O SECADOR UTILIZADO

Dentre os tipos de secadores citados anteriormente, o secador

horizontal rotativo será o de maior importância para o presente trabalho. Este tipo

de secador é utilizado na secagem de cafés nobres destinados à exportação, num

processo conhecido como secagem de queima indireta.

No processo de secagem de queima indireta, o ar é aquecido em uma

fornalha em que o ar de secagem não entra em contato com os produtos da

combustão, desta forma o ar de secagem fica livre de resíduos que possam

contaminar o café.

Para atender essa exigência, os trocadores de calor utilizados para esse

fim utilizam o ar como veículo de transmissão do calor gerado por meio da queima

da lenha ou outra matéria orgânica. O ar é captado do ambiente, sendo em

22

seguida aquecido em tubulações e soprado sobre o café em seu processo de

secagem.

Figura 5.01 – Fornalha utilizada para secagem de queima indireta

Figura 5.02 – Interior da fornalha

Pela concepção do projeto destes trocadores de calor, envolvidos no

processo de secagem de queima indireta, pode se notar que a eficiência térmica é

muito baixa, pois o coeficiente de transmissibilidade térmica por convecção (har)

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do ar é muito baixo, apresentando desta forma o problema de um elevado

consumo de lenha que também gera despesas de manutenção de um estoque

considerável de matéria orgânica para posterior queima.

Um outro problema também apresentado por este tipo de trocador de

calor, utilizado no processo de queima indireta, é a corrosão que pode chegar ao

ponto de perfurar os tubos, permitindo a mistura do ar de secagem com os

produtos da combustão. O café, desta forma, será contaminando e terá a sua

qualidade final comprometida.

Figura 5.03 – Tubos do trocador de calor perfurados pela corrosão

6. ALTERNATIVAS PARA MELHORAR A EFICIÊNCIA DO PROCESSO DE

SECAGEM DO CAFÉ

6.1. SECAGEM DE CAFÉ POR AR QUENTE UTILIZANDO ÁGUA QUENTE

COMO FONTE DE CALOR

O uso do vapor para aquecer o ar na secagem do café já é uma prática

largamente utilizada por diversos cafeicultores a partir do trabalho de pesquisa

realizado. O sistema foi bem aceito, principalmente por aqueles que possuem

bateria de secadores, normalmente acima de cinco unidades.

24

As vantagens observadas no sistema são: a melhoria da qualidade do

café, a economia de mão-de-obra, de energia e combustível (lenha), ocasionando,

no final da seca, maiores ganhos para o cafeicultor.

Mas, o processo só é viável economicamente quando se tem várias

unidades secadoras. Para o caso de instalações menores, onde se enquadra a

maioria dos produtores, uma alternativa viável é a utilização de água quente no

lugar do vapor.

Em trabalhos realizados na Fazenda Experimental de Varginha

(MAARA) foram utilizados os seguintes equipamentos:

▪ Uma caldeira como fonte geradora de calor com capacidade de 350 L

d’água;

▪ Um trocador de calor com 1,010 m2 de área de face; tubos aletados ¾”

(74 tubos dispostos em 3 fileiras );

▪ Um secador vertical com capacidade de 12 m3; vazão de ar no

ventilador = 240 m3 / minuto;

▪ Uma bomba centrífuga; 1 estágio, 2 cv , monofásica.

Praticamente não houve consumo de água, uma vez que o sistema

opera em circuito fechado. Na caldeira, a água é aquecida e em seguida é

encaminhada para o trocador de calor, onde libera calor para o ar de secagem e

posteriormente é succionada pela bomba, que fecha o circuito retornando-a para a

caldeira novamente.

Foram observadas as seguintes vantagens em relação à secagem com

vapor:

25

a) menor custo de instalação, devido aos equipamentos trabalharem com

temperaturas e pressões menores;

b) dispensa a instalação de purgadores, filtros e válvulas;

c) baixo consumo de água;

d) é viável para instalações pequenas.

A secagem utilizando água quente ainda apresenta se comparada com

a secagem de queima indireta, citada anteriormente, onde os produtos da

combustão são utilizados para aquecer o ar de secagem, um consumo de

combustível (lenha) muito inferior.

A economia de combustível, proporcionada pelo uso da água quente

para aquecer o ar de secagem, em relação à secagem de queima indireta, se

deve ao fato do coeficiente de transmissibilidade térmica por convecção da água

(hágua) ser bastante superior ao coeficiente de transmissibilidade térmica do ar

(har), aumentando, desta forma, a eficiência da transferência de calor no processo

de secagem do café.

Figura 6.01 – Secador de café utilizando água quente como fonte de calor

26

Figura 6.02 – Trocador de calor utilizando água quente

6.2. SECAGEM DE CAFÉ POR AR QUENTE ASSISTIDO A MICROONDAS

Uma tecnologia não-convencional que começa modernamente a tomar

corpo nas indústrias de processamento, particularmente naquelas que lidam com

alimentos termo-sensíveis é a da aplicação de microondas às etapas de

aquecimento dos processos industriais, entre eles, a secagem, visando uma

eficiência de tratamento ampliada e uma qualidade de produto melhorada de

modo significativo.

Um sistema inovador, que utiliza um aplicador cilíndrico-rotativo de eixo

inclinado, por dentro do qual escoa o café, de forma contínua e agitada, submetido

à ação simultânea da energia de aquecimento das microondas e ao calor

convectivo do ar quente, responsável pelo arraste da umidade desprendida do

produto, é esquematizado na figura abaixo, encontrando-se disponível no

Laboratório de Microondas (LMO), do Departamento de Engenharia de Alimentos

(DEA), Faculdade de Engenharia de Alimentos (FEA), da Universidade Estadual

de Campinas (UNICAMP), em Campinas, SP. O funcionamento deste sistema foi

27

recentemente testado com matéria prima proveniente da última safra de café,

previamente processada, tendo inicialmente a sua umidade sido reduzida a um

nível intermediário pelo método convencional a ar quente.

Figura 6.03 – Sistema de secagem assistida à microondas

Foi possível, após um tempo aproximado de 8 a 10 horas de pré-

secagem com ar quente a 40º C, terminar a secagem por microondas e ar quente

(40ºC), desde o nível intermediário (ao redor de 30% b.u.) até o valor final de 11 a

13% b.u., em cerca de pouco mais de uma hora, sem prejuízo da qualidade final

do produto e evitando perdas de qualidade que poderiam ocorrer na estocagem

prévia à secagem. Estes primeiros resultados positivos puderam ser confirmados,

após algumas análises comparativas, mediante a microscopia de varredura dos

grãos submetidos aos diversos tratamentos, com e sem microondas,

complementada por avaliações de natureza sensorial das bebidas preparadas

com as respectivas amostras do café assim tratado.

7. MÉTODO ADOTADO PARA MELHORAR EFICIÊNCIA

Para melhorar a eficiência dos processos de transferência de calor

envolvidos na secagem do café, a utilização da combustão pulsante mostra-se

uma alternativa bastante viável, por oferecer uma série de vantagens como

28

economia de combustível, redução da formação de poluentes, aumento da taxa de

transferência de calor por convecção além de exigir um investimento reduzido

para sua implementação em relação às outras alternativas apresentadas acima.

7.1. COMBUSTÃO PULSANTE

Entende-se por combustão pulsante o processo de queima que

apresenta como principal característica o fato das variáveis de estado (pressão,

temperatura, etc...), que descrevem as condições na zona de queima, ocorrerem

sob condições oscilatórios.

A combustão pulsante pode ocorrer de forma espontânea, ou pode ser

forçada, sendo mecanicamente excitada, por exemplo, com o auxílio de um alto

falante, válvulas, dentre outras formas. Pretende-se desenvolver estas condições

na câmara de combustão visando obter um melhor desempenho na transferência

de calor.

7.1.1. HISTÓRICO

Ondas acústicas podem ocorrer nos gases que ocupam o interior de

tubos. Quando isto ocorre as extremidades abertas do tubo constituem nodos de

pressão acústica e antinodos de deslocamento; as extremidades fechadas têm

características opostas.

As frequências de ressonância correspondem à frequência natural do

tubo e seus harmônicos. Assim, em tubo aberto, os comprimentos de onda dos

modos de oscilação são proporcionais a 2L / n, onde n é qualquer número inteiro

positivo e L é o comprimento do tubo. Neste texto o modo fundamental ou primeiro

harmônico é identificado por n igual 1, o segundo modo de oscilação ou segundo

harmônico é identificado por n igual a 2 e assim sucessivamente. Aproximando-se

um alto-falante da extremidade de um tubo e fazendo-se variar a frequência das

29

vibrações é possível notar as frequências de ressonância. Não só em tubos, mas

em quaisquer volumes é possível observar a ressonância.

As ondas acústicas em tubos podem também ser termicamente

excitadas, esse processo é conhecido desde o final de século XVIII quando

Higgins descreveu pela primeira vez o fenômeno das chamas sonoras de

hidrogênio ocorrentes no interior de um tubo (Tyndall, 1970). Em meados do

século passado Rijke provocou oscilações termoacústicas posicionando uma tela

metálica aquecida na metade inferior de um tubo aberto mantido na vertical

(Rayleigh, 1945). A excitação de ondas acústicas por uma fonte de calor surge

devido aos efeitos da expansão térmica localizada.

Segundo Rayleigh (1945) as oscilações termoacústicas surgem devido a

perturbações que são amplificadas desde que, na média, o calor seja adicionado

em fase com o crescimento de pressão durante um período do ciclo. Esta é a

explicação geralmente aceita para os fenômenos termoacústicos e ficou

conhecida como critério de Rayleigh.

7.1.2. EFEITO E APLICAÇÕES DA COMBUSTÃO OSCILATÓRIA

As pulsações acústicas associadas aos processos de combustão podem

apresentar vantagens tecnológicas, econômicas e ambientais. Por exemplo, na

presença destas oscilações as taxas de queima e transferência convectiva de

calor são incrementadas, em consequência, os equipamentos podem ser

menores. As oscilações ainda podem reduzir a formação de poluentes. Por outro

lado, dependendo das aplicações, as oscilações acústicas podem ser

desvantajosas, como no caso de instabilidades acústicas em motores foguete as

quais precisam ser evitadas.

A queima de partículas individuais de carvão em condições

estacionárias de escoamento e em regime pulsado foi objeto de experiências

30

conduzidas por Sabnis e Lyman (1982), eles concluíram que o tempo de queima é

consideravelmente reduzido sob o regime de pulsos, observando uma redução de

50% neste tempo para partículas de 1,3mm na freqüência de 54 Hz. Nag e

Mukherjee (1983) incomodaram pulsações por meios mecânicos ao escoamento

de ar através de um leito fixo de carvão em combustão. Nas suas experiências a

frequência variou de 3,83 a 10,71 Hz com amplitudes de 0,3 a 0,8 KPa. Obtiveram

acréscimos de 78% na taxa de combustão.

São variadas as aplicações da combustão pulsante, como o

bombeamento e o aquecimento de fluidos, a geração de vapor, a gaseificação,

etc. Os propulsores das bombas voadoras germânicas do tipo V-1, empregadas

na 2ª Guerra Mundial, constituem um exemplo conhecido de aplicação da

tecnologia de combustão oscilatória. Tais motores podem ser visualizados como

um tubo aberto numa extremidade e fechado na outra que, em termos acústicos,

são definidos como tubo de quarto de onda. Durante a operação de combustores

deste tipo o tempo de reação da mistura combustível deve ser da ordem da

metade do período da oscilação, pois a cada ciclo praticamente toda a massa

reacional é expulsa do equipamento (Putnam e Brown, 1974).

7.1.3. TRANSFERÊNCIA DE CALOR

A oscilação acústica em um escoamento de gás pode afetar

significamente o processo de transferência de calor. Pesquisas realizadas

mostraram que os resultados estão fortemente ligados ao tipo de oscilação

acústica, a intensidade da oscilação, e o local em que o fluxo de calor é medido.

O fluxo de calor observado sob oscilações de ressonância, em um

escoamento gasoso é apreciavelmente maior que o fluxo de calor observado em

um escoamento sem oscilações. Estas oscilações de ressonância são

responsáveis por destruir a camada limite térmica do escoamento, possibilitando

31

um aumento da ordem de cinco a nove vezes o coeficiente de transmissibilidade

térmica por convecção (Sérgio Leite).

Uma vez iniciado o processo oscilatório, as próprias pulsações tem o

efeito de misturar os reagentes, no caso de combustíveis gasosos, uniformizando

a liberação de calor. No caso de combustíveis sólidos, as pulsações agitam o leito

combustível conduzindo ao mesmo efeito.

7.2. MONTAGEM

A montagem realizada para a pulsação, da câmara de combustão da

fornalha de queima indireta, foi composta dos seguintes equipamentos e materiais:

▪ Um alto falante;

▪ Um tubo metálico;

▪ Um sensor (microfone);

▪ Um amplificador;

▪ Circuito eletrônico;

▪ Osciloscópio.

Figura 7.01 – Tubo metálico com alto – falante

32

Figura 7.02 – Posicionamento do sensor (microfone)

Figura 7.03 – Circuito eletrônico (1) e amplificador (2)

(1)

(2)

33

Figura 7.04 – Osciloscópio

Figura 7.05 – Montagem realizada para pulsação

34

Através do posicionamento correto do microfone, foi possível observar

no osciloscópio as amplitudes das oscilações acústicas provocadas pelo alto

falante, e assim, ajustar da melhor forma a frequência gerada pelo circuito

eletrônico que era auxiliado pelo amplificador.

O ajuste desta frequência foi realizado de forma a possibilitar as maiores

amplitudes possíveis das oscilações, se aproximando ao máximo, desta forma, da

frequência de ressonância da câmara de combustão.

7.3. CÁLCULOS DA EFICIÊNCIA DO PROCESSO DE SECAGEM

Para que pudesse ser verificada a eficiência do processo de secagem,

foi primeiramente necessário determinar as vazões do ar de secagem e exaustão,

juntamente com as temperaturas do ar de secagem, do ar de exaustão,

temperatura da fornalha e temperatura ambiente. Sendo utilizado para tanto, um

Tubo de Pitot e um Termopar para determinar as vazões e temperaturas

respectivamente.

Figura 7.06 – Utilização do Tubo de Pitot para determinar vazão

35

Figura 7.07 – Utilização do Termopar para determinar temperatura

Figura 7.08 – Local de medida da temperatura da fornalha (1), local de medida da

vazão e temperatura do ar de exaustão (2)

(1)

(2)

36

Figura 7.09 – Local de medida da temperatura e vazão do ar de secagem

7.3.1. CÁLCULO DA VELOCIDADE UTILIZANDO TUBO DE PITOT

O cálculo da velocidade do escoamento de um fluido, utilizando um

Tubo de Pitot, é feito através da seguinte fórmula:

hgV ..2

Onde:

g = 9,81 m/s²

h = desnível medido da coluna de água x ( ρágua / ρar)

ρágua = 1000 Kg / m³

ρar = 1,2 Kg / m³ (T ~ 20°C )

ρar = 1,1 Kg / m³ (T ~ 50°C )

ρar = 1,0 Kg / m³ (T ~ 60°C )

ρar = 0,6 Kg / m³ (T ~ 350°C )

ρar = 0,5 Kg / m³ (T ~ 450°C )

ρar = 0,4 Kg / m³ (T ~ 550°C )

37

7.3.2. CÁLCULO DA VAZÃO DO AR DE SECAGEM COM SECADOR

VAZIO E FUNCIONAMENTO NO MODO NORMAL

Sob as seguintes condições:

- Fornalha acesa (Temperatura do ar de secagem = 60°C)

- Secador vazio (Escoamento sem perda de carga)

- ρar = 1,0 Kg / m³ (T ~ 60°C - Temperatura do ar de secagem)

- Desnível da coluna de água = 0.024 m

▪ Velocidade:

hgV ..2

V = 78,1 Km/h

V = 21,7 m/s => velocidade medida através de um Tubo de Pitot

▪ Área da seção transversal da tubulação onde foi realizada a tomada

de velocidade pelo Tubo de Pitot:

Área da seção transversal quadrada Aq = 0,16 m²

Área da seção transversal circular Ac = 0,13461 m²

Área da seção transversal A = (Ac + Aq) / 2

A= 0,147305 m²

Obs: esta área foi obtida através de uma média entre a área da seção

quadrada e seção circular da tubulação na tentativa de encontrar um

valor aproximado do valor real.

38

Daí,

U = ρar x V x A

U = 1,0 x 21,7 x 0,147305

U = 3,2 Kg /s

7.3.3. CÁLCULO DA VAZÃO DO AR DE EXAUSTÃO NO MODO NORMAL


- Temperatura do ar de exaustão = 450°C

- ρar = 0,5 Kg / m³ (T ~ 450°C - Temperatura do ar de exaustão)


▪ Velocidade:

hgV ..2

V = 45,1 Km/h


▪ Área da seção transversal da chaminé onde foi realizada a tomada


A = 0,071 m²

Daí,

U = ρar x V x A

U = 0,5 x 12,5 x 0,071

U = 0,5 Kg /s

39

7.3.4. CÁLCULO DA VAZÃO DO AR DE SECAGEM COM SECADOR

VAZIO E FUNCIONAMENTO NO MODO PULSANTE


- Fornalha acesa (Temperatura do ar de secagem = 52°C)

- Secador vazio (Escoamento sem perda de carga)

- ρar = 1,1 Kg / m³ (T ~ 50°C - Temperatura do ar de secagem)


▪ Velocidade:

hgV ..2

V = 74,5 Km/h


▪ Área da seção transversal da tubulação onde foi realizada a tomada


Área da seção transversal quadrada Aq = 0,16 m²

Área da seção transversal circular Ac = 0,13461 m²

Área da seção transversal A = (Ac + Aq) / 2

A= 0,147305 m²

Obs: esta área foi obtida através de uma média entre a área da seção

quadrada e seção circular da tubulação na tentativa de encontrar um

valor aproximado do valor real.

40

Daí,

U = ρar x V x A

U = 1,1 x 20,7 x 0,147305

U = 3,3 Kg /s

7.3.5. CÁLCULO DA VAZÃO DO AR DE EXAUSTÃO NO MODO

PULSANTE


- Temperatura do ar de exaustão = 330°C

- ρar = 0,6 Kg / m³ (T ~ 350°C - Temperatura do ar de exaustão)


▪ Velocidade:

hgV ..2

V = 41,2 Km/h


▪ Área da seção transversal da chaminé onde foi realizada a tomada


A = 0,071 m²

Daí,

U = ρar x V x A

U = 0,6 x 11,4 x 0,071

U = 0,5 Kg /s

41

7.3.6. CÁLCULO DA QUANTIDADE DE CALOR TRANSFERIDO NO

PROCESSO DE SECAGEM

Para o cálculo da quantidade de calor transferido no processo de

secagem, foi utilizada a seguinte expressão, considerando o ar atmosférico como

gás perfeito:

Ts

TepodtCQ x U

onde:

Cpo = calor especifico do ar;

Te = temperatura de entrada do ar;

Ts = temperatura de saída do ar;

U = fluxo de massa de ar;

Sendo:

Cpo = 38,7344 + 4,0204 x 10-3 1,5 – 445,946 -1,5 + 905,536 -2 – 656,32 -3

Cpo = [KJ / Kmol K]

= T [Kelvin] / 100

Após a integração:

Q = [ 38,7344 T + 1,60816 x 10-6 T 2,5 + 8,91892 x 105 T -0,5 – 9,05536 x 10 6

T –1 + 3,2816 x 108 T –2 ]Ts x U

Te

7.4. RESULTADOS OBSERVADOS

42

7.4.1. CALOR TRANSFERIDO NO PROCESSO DE SECAGEM SEM A

UTILIZAÇÃO DA COMBUSTÃO PULSANTE

As tabelas a seguir apresentam os resultados, para o processo de

secagem sem a utilização da combustão pulsante.

Tabela 7.01 - Calor máximo que pode ser fornecido

Cálculo do Calor Máximo que pode ser Fornecido

Temperatura de Entrada ( 765ºC ) 1038 Kelvin

Temperatura de Saída ( 24ºC ambiente ) 297 Kelvin

Variação de Entalpia 799,8 KJ/Kg

Vazão do ar de exaustão 0,9 m³/s

Peso Específico do ar de exaustão ( 24°C ambiente ) 1,2 Kg/m³

Fluxo de Massa 1,1 Kg/s

Quantidade Total de Calor 863,8 KJ/s

Tabela 7.02 - Calor real fornecido

Cálculo do Calor Real Fornecido


Temperatura de Saída ( 450ºC ) 723 Kelvin



Peso Específico do ar de exaustão ( 450°C ) 0,5 Kg/m³



43

Tabela 7.03 - Calor real transferido para o ar de secagem

Cálculo do Calor Real Transferido para o Ar de Secagem

Temperatura de Entrada ( 24ºC ambiente ) 297 Kelvin

Temperatura de Saída (60ºC ) 333 Kelvin


Vazão do ar de Secagem 3,2 m³/s

Peso Específico do ar de secagem ( 60°C ) 1,0 Kg/m³



7.4.2. EFICIÊNCIA OBSERVADA NO PROCESSO DE SECAGEM SEM A


= calor real transferido para o ar de secagem / calor máximo que pode

ser fornecido

= 117,4 / 863,8

= 13,6 %

Gráfico 7.01 – Eficiência do processo de secagem sem o uso da combustão

pulsante

Calor aproveitado

13,6%

Calor não

aproveitado

86,4%

44

7.4.3. CALOR TRANSFERIDO NO PROCESSO DE SECAGEM COM A


As tabelas a seguir apresentam os resultados, para o processo de

secagem com a utilização da combustão pulsante.

Tabela 7.04 - Calor máximo que pode ser fornecido no modo pulsante

Cálculo do Calor Máximo que pode ser Fornecido


Temperatura de Saída ( 24 ºC ambiente ) 297 Kelvin



Peso Específico do ar de exaustão ( 24°C ambiente ) 1,2 Kg/m³



Tabela 7.05 - Calor real fornecido no modo pulsante

Cálculo do Calor Real Fornecido





Peso Específico do ar de exaustão ( 330°C ) 0,6 Kg/m³



45

Tabela 7.06 - Calor real transferido para o ar de secagem no modo pulsante

Cálculo do Calor Real Transferido para o Ar de Secagem

Temperatura de Entrada ( 24ºC ambiente ) 297 Kelvin



Vazão do ar de Secagem 3,1 m³/s

Peso Específico do ar de secagem ( 52°C ) 1,1 Kg/m³



7.4.4. EFICIÊNCIA OBSERVADA NO PROCESSO DE SECAGEM COM A


= calor real transferido para o ar de secagem no modo pulsante / calor

máximo que pode ser fornecido no modo pulsante

= 93,2 / 533,0

= 17,5 %

Gráfico 7.02 – Eficiência do processo de secagem com o uso da combustão

pulsante

Calor aproveitado

17,5%

Calor não

aproveitado

82,5%

46

7.4.5. COMPARATIVO ENTRE A EFICIÊNCIA OBSERVADA NO

PROCESSO DE SECAGEM SEM A UTILIZAÇÃO DA COMBUSTÃO

PULSANTE E COM A UTILIZAÇÃO DA COMBUSTÃO PULSANTE

i = ( eficiência pulsante – eficiência normal ) / eficiência normal

i = (17,5 – 13,6 ) / 13,6

i = 28,7 %

Gráfico 7.03 – Comparativo entre as eficiências do processo de secagem no

modo normal e no modo pulsante

A partir dos resultados apresentados pelas tabelas anteriores, foi

possível observar a eficiência do processo de secagem para ambos os modos de

funcionamento, o modo normal e o modo pulsante, percebendo-se um aumento de

28,7% da eficiência do processo de secagem, para o funcionamento no modo

pulsante, representado pelo gráfico acima.

13,6%

17,5%

modo normal

modo pulsante

47

8. CONCLUSÃO

A combustão pulsante mostrou-se realmente uma alternativa viável,

melhorando a eficiência dos processos de transferência de calor envolvidos na

secagem de café.

Através dos resultados obtidos, e o consumo de lenha medido, foi

constatado uma economia significativa no consumo de combustível (lenha) e

consequentemente maiores ganhos para o produtor de café.

Na secagem de queima indireta em modo normal, o consumo de lenha

era da ordem de 260 Kg / h, com o aumento de 28,7% da eficiência do processo

de secagem, após realizada a montagem para a pulsação, o consumo de lenha

passou para aproximadamente 190 Kg / h, proporcionando uma economia de 70

Kg / h.

Considerando que o preço da lenha é de R$ 25,00 / m³ (Bruno Krohling)

e o seu peso especifico é de aproximadamente 450 Kg / m³ (PRO-TEC), a

economia então será de R$ 3,90 / h; em uma secagem que dura em torno de 24h,

esta economia pode chegar a 1680 Kg de lenha, proporcionando, uma economia

de R$ 100,00 para o produtor.

Levando-se em conta o investimento inicial e o consumo de energia

elétrica para a utilização da combustão pulsante, esta se torna ainda mais

vantajosa em relação às outras alternativas utilizadas até agora para melhorar a

eficiência do processo de secagem do café, pois os equipamentos utilizados para

a pulsação são relativamente de baixo custo e apresentam um consumo de

energia elétrica de apenas 100W (Sérgio Leite).

48

9. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

▪ VAN WYLEN, G.; SONNTAG, R.; BORGNAKKE, C. Fundamentos da

Termodinâmica Clássica, 4. ed., São Paulo: Edgard Blücher, 1995.

▪ PROVENZA, Francesco. Projetista de Máquinas, 5. ed., São Paulo: PRO-

TEC, 1984.

▪ FERREIRA, Marco Aurélio. Abordagem Teórica e Experimental de

Combustores do Tipo Rijke. 1997. 227p. Tese ( doutorado em Engenharia

Mecânica ) – programa de pós-graduação em Engenharia Mecânica,

Universidade Estadual Paulista, Guaratinguetá, 1997.

▪ CONGRESSO BRASILEIRO DE PESQUISAS CAFEEIRAS, 21. , 1995,

Caxambu, MG. Trabalhos Apresentados... Rio de Janeiro: MAARA /

PROCAFÉ, 1995.


Franca, SP. Trabalhos Apresentados... Rio de Janeiro: MAA / PROCAFÉ,

1999.


Caxambu, MG. Trabalhos Apresentados... Rio de Janeiro: MAPA /

PROCAFÉ, 2002.

▪ CUIDADOS na colheita, no preparo e no armazenamento do café. INFORME

AGROPECUÁRIO, Belo Horizonte, ano 14, n. 162, p. 33 - 44, 1989.

▪ EQUIPAMENTOS para café. Disponível em:

<http://www.pinhalense.com.br/produtos/café/prod-04-port.htm >. Acesso em:

15 jul. 2004.

▪ CAFÉ - Revista Minas Faz Ciência no_ 8 – Fapemig. Disponível em:

<http://www.comciencia.br/reportagens>. Acesso em: 15 jul. 2004.

▪ NOVAS TECNOLOGIAS de secagem para café. Disponível em:

<http://www.pos-colheita.com.br/>. Acesso em: 15 jul. 2004.

▪ D’ANDREA secadores de café. Disponível em:

<http://www.agrotrends.com.br/portugues/portugues.htm>. Acesso em: 03 set.

2004.

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49

▪ MÁQUINAS GRACIANO. Disponível em: <http://www.mgraciano.com.br/>.

Acesso em: 03 set. 2004.

▪ SECADOR de leito fixo. Disponível em:

<http://www.polidryer.com.br/Seclf.htm>. Acesso em: 03 set. 2004.

▪ IMPORTÂNCIA do secador de café. Disponível em:

<http://www.agridata.mg.gov.br/preparo.htm#item2>. Acesso em: 03 set. 2004.

▪ SECAGEM utilizando água quente como fonte de calor. Disponível em:

<http://www.caldeiras.com/agricola.htm#A%20SOLUÇÃO%20DEFINITIVA>.

Acesso em: 03 set. 2004.

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http://www.polidryer.com.br/Seclf.htm

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http://www.agridata.mg.gov.br/preparo.htm#item2

http://www.caldeiras.com/agricola.htm#A%20SOLUÇÃO%20DEFINITIVA

50

ANEXOS

51

AVALIAÇÃO ENERGÉTICA E ECONOMICA DO GLP E DA LENHA NA

SECAGEM DO CAFÉ

Entre os combustíveis utilizados na secagem tem-se feito uso

principalmente da lenha, e mais recentemente, do GLP (gás liquefeito de

petróleo).

A lenha, combustível á base de celulose e empregada em diversos

países, tem como vantagem a possibilidade do emprego de mão-de-obra não

qualificada, porém possui baixa eficiência térmica (17%) e baixo poder calorífico

(13.000 kJ.kg-1 ) quando comparado ao GLP. Além disso, o uso da lenha

apresenta sérias limitações no que se refere à questão ambiental. Além de

produzir resíduos poluentes provenientes da queima incompleta, diminui a área

coberta com vegetação nativa podendo causar sérios impactos na fauna e na

estabilização dos mananciais aquáticos.

O GLP é um combustível de uso recente na secagem do café. Sua

principal vantagem é a praticidade no manuseio e a constância no fornecimento de

calor, além de possuir boa eficiência térmica (60%) e um poder calorífico alto

(47440 KJ.kg –1 ) em relação à lenha. Como desvantagem, o GLP possui

instabilidade no custo, pois seu preço está vinculado ao preço do petróleo, além

de exigir mão-de-obra qualificada.

Existe grande divergência entre técnicos da área de secagem na

recomendação da opção mais econômica para o combustível a ser usado na

secagem. Muitos produtores e técnicos consideram apenas o custo de

combustível para a avaliação econômica. No entanto, custos de depreciação,

energia elétrica e mão-de-obra devem ser considerados para obter uma análise

mais completa.

52

Neste contexto, tendo em vista a necessidade de reduzir o custo de

produção e visto que o processo de secagem tem grande influência no custo total

de produção, este trabalho teve como objetivos principais avaliar técnica e

economicamente a secagem do café usando lenha e GLP como combustíveis

para o aquecimento do ar. O presente estudo foi realizado no Pólo de Tecnologia

em Pós-Colheita de café, na Universidade Federal de Lavras, MG. Foram

realizados dois testes usando simultaneamente dois secadores rotativos com

capacidade de 5.000 litros.

Para a avaliação do desempenho dos sistemas de secagem foram

realizadas as seguintes medições: temperatura da massa de café, do ar de

secagem, do ar no plenum e do ar de exaustão, pressão estática no plenum,

umidade inicial e final do café, umidade relativa e temperatura do ar ambiente,

consumo total de combustível, consumo de energia elétrica e tempo total de

secagem.

A temperatura do ar de secagem e da massa de café foi realizada por

meio de termopares instalados, respectivamente, no duto de entrada de cada

secador e em diversos pontos na massa de café. Amostras foram retiradas a cada

duas horas de secagem e a umidade foi determinada pelo método padrão de

estufa 105+ - 1º C durante 24 horas.

A pressão estática foi medida em 3 pontos distribuídos

longitudinalmente dentro do plenum. O consumo do GLP foi determinado por meio

de gasômetro da marca Equimenter, modelo S-275 instalado na linha de

alimentação de cada secador.

A avaliação do desempenho da secagem foi realizada segundo

metodologia adaptada proposta por Barkker Arkema et al (1978). A avaliação

econômica foi feita calculando-se os custos de mão-de-obra, combustível, energia

53

elétrica, depreciação de capital fixo e custo total. Os resultados da avaliação do

desempenho dos secadores nos testes 1 e 2 são apresentados na Tabela 1.

Observa-se que os conteúdos de umidade iniciais e finais para cada

teste foram bem próximos, mostrando a uniformidade da matéria-prima neste

experimento. As temperaturas médias do ar de secagem foram menores para as

secagens que usaram lenha, em relação às secagens que usaram GLP nos testes

1 e 2. Nos testes que usaram lenha observou-se maior consumo total de energia

elétrica devido ao maior tempo de funcionamento do sistema de secagem. Além

disso, verificou-se que o consumo específico de energia para as secagens que

utilizaram lenha foi maior que as secagens que usaram GLP. Observou-se

eficiência mais baixa nas secagens que usaram lenha quando comparadas com

as secagens que utilizaram GLP.

A análise da eficiência de sistemas de secagem considera tanto as

perdas de energia não aproveitada para a retirada de água da massa do café

como também aquelas ocorridas na queima do combustível, nos trocadores de

calor da fornalha, nos dutos de ventilação, no ventilador e plenum do secador.

Nos testes 1 e 2 , os custos de combustível para os tratamentos que

usaram GLP representam 74,69% e 76,81% do custo total de secagem. Já a

participação do custo do combustível nos testes com lenha representaram

respectivamente, 16,58% e 14,28% do custo total da secagem.

Esses autores, analisando sistemas de aquecimento do ar pela queima

de GLP, lenha de eucalipto e palha de café, verificaram que a operação realizada

com GLP apresentou um maior custo de combustível. Entretanto, em muitos casos

a decisão de optar por um sistema de outro aquecimento do ar é feito apenas

baseado no custo do combustível não levando em conta outros custos, que podem

resultar na escolha de sistemas de custos totais mais elevados, ou mesmo, com

custos semelhantes, porém, com desvantagens operacionais.

54

Tabela 1 - Resultado experimental da avaliação energética do sistema

Parâmetros: Teste 1 Teste 2

GLP Lenha GLP Lenha

1)Do produto

Teor de umidade inicial(%b.u.) 30,83 30,83 32,26 32,26

Teor de umidade final(%b.u) 11,78 11,90 10,27 10,79

2)Do ar

Temperatura de secagem (ºC) 80,50 71,09 86,14 73,48

Temperatura ambiente (ºC) 22,00 21,89 24,74 24,74

3) Do secador

Vazão de ar( m3.mim-1) 79,50 83,25 79,73 83,56

Densidade de fluxo (m3.min-1.m-2) 18,93 19,82 18,98 19,90

Espessura de camada(m) 0,63 0,63 0,63 0,63

Área de secagem(m2) 4,20 4,20 4,20 4,20

Pressão estática (mm.c.a.). 4,00 4,00 4,00 4,00

4)Da energia

Tipo de combustível GLP Lenha GLP Lenha

Massa de combustível(kg) 86,91 542,00 93,61 458,50

Poder calorífico inferior (kj.kg-1) 49191, 14664,5 49191, 14664,5

Energia elétrica (kWh.) 51,03 41,44 39,62 53,17

5)Do desempenho

Duração do teste ( horas) 21,58 24,58 21,01 24,25

Redução de umidade(%b.u.) 19,05 18,93 21,99 21,47

Cons.Específico real(kj.kg-1)

Com energia elétrica (kj.kg-1) 8566,5 15925,1 8240,2 12284,8

Sem energia elétrica (kj.kg-1) 8277,7 15565,3 7992,6 11944,8

Eficiência de secagem(%) 36,65 19,08 37,52 24,24

55

O maior custo de depreciação para os testes que usaram lenha deve-se

ao fato da vida útil da fornalha ser menor do que a do queimador. De acordo com

os fabricantes, a vida útil de uma fornalha é de 6 anos, possuindo um valor de

sucata de R$ 1.500,00. Já o queimador possui uma vida útil de 20 anos e um valor

de sucata de R$ 750,00. A vida útil da fornalha e do queimador pode variar entre

fabricante e de proprietário para proprietário, dependendo dos cuidados tomados.

O custo de energia elétrica é proporcional ao tempo de funcionamento

do secador. Observa-se que o custo de energia elétrica foi maior nas secagens

que usaram lenha, pois foram os testes com maior tempo de funcionamento.

Considerando os custos fixos e variáveis, observa-se que o custo total

de secagem de café com lenha ou GLP foram considerados praticamente iguais,

apresentando pequenas diferenças resultantes de variações que normalmente

ocorre durante a condução dos testes e não especificamente em função da opção

entre o sistema de aquecimento do ar.

A partir dos dados observados, conclui-se que:

▪ Energeticamente, a secagem com lenha foi menos eficiente que a secagem

com GLP, apresentando menores valores de eficiência e maiores

consumos específicos de energia.

▪ Economicamente, o custo de combustível na secagem a ;lenha foi 4,5

vezes menor do que a secagem em que se fez o uso de GLP. No entanto, o

custo total demonstrou valores praticamente iguais para ambas as

secagens.

1. introduÇÃo -...

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